STEM教育理念下變壓器原理拓展教學(xué)

戴朱軍

(張家港市樂余高級(jí)中學(xué) 江蘇 蘇州 215600)

STEM教育理念強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)、技術(shù)、工程、數(shù)學(xué)這4個(gè)方面的素養(yǎng)，但目前高中對(duì)變壓器的教學(xué)要求僅限于讓學(xué)生知道理想變壓器的工作原理，以及電流電壓和匝數(shù)的關(guān)系，未能體現(xiàn)出技術(shù)素養(yǎng)和工程素養(yǎng)方面的培養(yǎng)要求．因此，有必要對(duì)生活中廣泛應(yīng)用的變壓器，進(jìn)一步開展拓展應(yīng)用教學(xué)，以培養(yǎng)學(xué)生綜合科學(xué)素養(yǎng)．

1 拓展教學(xué)一

為什么高壓原線圈的銅線比低壓副線圈細(xì)？

準(zhǔn)備一個(gè)220 V轉(zhuǎn)換12 V的小型10 W電源變壓器，教師事先把原副線圈繞組上的絕緣保護(hù)塑料皮剝離，以便學(xué)生觀察，并用黑膠布把該變壓器上的廠家銘牌參數(shù)遮蓋住(因?yàn)殂懪粕蠘?biāo)明了輸入輸出的導(dǎo)線顏色、電壓、功率、匝數(shù)等參數(shù))，如圖1所示．

圖1 比較原副線圈的匝數(shù)和粗細(xì)

師：這是一個(gè)把220 V高壓轉(zhuǎn)換為低壓12 V的小型電源變壓器，通過(guò)觀察，你們能確定哪個(gè)是原線圈，哪個(gè)是副線圈嗎？

生：匝數(shù)多的是原線圈，匝數(shù)少的是副線圈，因?yàn)殡妷汉驮褦?shù)成正比(大部分學(xué)生這樣回答)．

師：很好，那為什么高壓原線圈采用的銅線非常細(xì)呢？

學(xué)生各種回答：因?yàn)樵€圈匝數(shù)太多，如果導(dǎo)線較粗就繞不下了；因?yàn)樵€圈電流小，所以采用較細(xì)的銅線繞制；因?yàn)榭紤]成本，粗了浪費(fèi)……

教師引導(dǎo)：同學(xué)們有多種看法，到底哪個(gè)有道理呢？讓我們來(lái)看一個(gè)變壓器廠家生產(chǎn)所用的漆包線的直徑與最大通過(guò)電流量的對(duì)比表格，如表1所示．同學(xué)們通過(guò)這個(gè)表格，能發(fā)現(xiàn)什么規(guī)律？

表1 常用漆包線線徑和最大載流對(duì)照表

生：漆包線的直徑越大(即越粗)，能夠通過(guò)的最大電流就越大．

師：很好，同學(xué)們現(xiàn)在明白了，因?yàn)閷?duì)單個(gè)副線圈的變壓器，工作電流和匝數(shù)成反比，因?yàn)楦邏涸€圈匝數(shù)多，所以通過(guò)電流小，選擇能滿足最大載流量的較細(xì)導(dǎo)線就可以了[1]．這和生活中的水管完全類似，通過(guò)水流小，選擇較細(xì)的水管就可以了．

2 拓展教學(xué)二

輸出都為12 V的變壓器，匝數(shù)比220∶12 和2200∶120效果一樣嗎？

教師準(zhǔn)備2只電源變壓器，都是220 V轉(zhuǎn)換12 V輸出，但功率分別為10 W和30 W，同樣用黑膠布把兩只變壓器上的廠家參數(shù)遮蓋，再讓學(xué)生觀察對(duì)比，如圖2所示．

圖2 兩變壓器電壓相同但大小不同

師：同學(xué)們，這兩個(gè)變壓器的輸入電壓和輸出電壓都是多少？

生：輸入都是220 V,輸出都是12 V．

師：如果看成理想變壓器，那匝數(shù)比是多少？

生：220∶12.

師：那能不能原副線圈繞制的匝數(shù)為220匝和12匝，或者2 200匝和120匝，甚至55匝和3匝？

生：……應(yīng)該可以吧，匝數(shù)比都一樣，都是輸出12 V ?。?/p>

生：……

師：同學(xué)們想一想，如果原線圈匝數(shù)太少，對(duì)輸入的220 V交流電來(lái)說(shuō)，原線圈的感抗XL是很大還是很??？

生：匝數(shù)越少，感抗越?。?/p>

師：感抗越小，那對(duì)輸入交流電的阻礙越小，就越接近于短路，就會(huì)電流過(guò)大而燒毀原線圈！現(xiàn)在同學(xué)們理解為什么原線圈匝數(shù)不能太少了吧？

請(qǐng)同學(xué)們思考另外一個(gè)問(wèn)題，如果需要電壓器輸出更大的功率，那鐵芯內(nèi)的磁場(chǎng)應(yīng)該越強(qiáng)還是越弱？原線圈的匝數(shù)需要越多還是越少？鐵芯截面積需要越大還是越?。?/p>

引導(dǎo)學(xué)生得出：當(dāng)然是原線圈匝數(shù)越多，產(chǎn)生磁場(chǎng)越強(qiáng)，向副線圈輸送的磁場(chǎng)能就越大，需要的鐵芯截面積就越大．

師：很好，也就是說(shuō)變壓器的功率越大，就需要原線圈匝數(shù)越大，鐵芯的截面積也要越大．功率越大的變壓器，往往外觀較大，重量也較重．所以雖然匝數(shù)比都是220∶12，但原線圈和副線圈的具體匝數(shù)選擇，需要根據(jù)鐵芯大小、設(shè)計(jì)功率、導(dǎo)線材料種類和截面積、交流電頻率等多種因素來(lái)確定．

3 拓展教學(xué)三

為什么手機(jī)充電器內(nèi)部的變壓器特別??？

教師事先準(zhǔn)備一個(gè)輸出5 V/2 A的閑置手機(jī)充電器(又稱開關(guān)電源)， 把這個(gè)充電器拆開，以便學(xué)生觀察內(nèi)部的變壓器，并和上文中的10 W變壓器進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示．

圖3 手機(jī)充電器內(nèi)變壓器和普通變壓器大小對(duì)比

師：同學(xué)們能計(jì)算這個(gè)手機(jī)充電器的額定輸出功率嗎？另外對(duì)這個(gè)手機(jī)充電器內(nèi)的變壓器有什么深刻印象？

生：由P=UI=5 V×2 A=10 W，和之前看過(guò)的變壓器功率相同，但體積要小很多很多！

師：對(duì)啊，變壓器體積和重量當(dāng)然是越小越好，這樣才輕便．但變壓器要輕小，必需要減少漆包線的匝數(shù)和鐵芯的大小，那如何確保功率和輸出電壓不會(huì)降低呢？

生：……

動(dòng)態(tài)范圍指的是畫面中最暗（1）和最亮（2）部分的亮度差距。不同相機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍并不相同，不過(guò)總的來(lái)說(shuō)，因?yàn)橄袼爻叽绺?，所以全畫幅相機(jī)通常擁有更高的動(dòng)態(tài)范圍。一張照片的直方圖（如右圖所示）占據(jù)越多的橫軸空間（3），這張照片的動(dòng)態(tài)范圍也就越高。

師：同學(xué)們想一想，副線圈為什么會(huì)輸出電壓？

生：電磁感應(yīng)啊，副線圈會(huì)產(chǎn)生感生電動(dòng)勢(shì)．

師：很好，那同學(xué)們由感生電動(dòng)勢(shì)公式

去思考一下，如果減少匝數(shù)n和副線圈截面積S(即鐵芯截面積)，但要確保電動(dòng)勢(shì)E不變，應(yīng)該怎么辦？

師：很好，讓磁場(chǎng)變化得更快，也就是原線圈輸入的交流電要變化得越快，就是需要提高交流電的哪個(gè)參數(shù)？

生：就是提高頻率！

師：很好！我們手機(jī)充電器里就是通過(guò)高頻開關(guān)電路，把交流電的頻率從50 Hz 提高到了100 kHz，整整提高了2 000倍！這樣就可以顯著降低變壓器的匝數(shù)和鐵芯大小，從而讓變壓器變得更加輕小，這樣的變壓器稱為高頻變壓器，對(duì)應(yīng)的電源稱為開關(guān)電源[2]．現(xiàn)在幾乎所有數(shù)碼類產(chǎn)品的電源，都是開關(guān)電源，其基本工作原理如圖4所示．

圖4 開關(guān)電源工作原理示意圖

4 拓展教學(xué)四

為什么沒有鐵芯也可以無(wú)線輸電？

通過(guò)展示華為Mate20 pro手機(jī)的無(wú)線充電功能宣傳圖，引入無(wú)線輸電話題．

師：無(wú)線輸電，摒棄了導(dǎo)線的牽連纏繞，讓手機(jī)充電更加便捷，那無(wú)線輸電的基本原理是什么呢？讓我們通過(guò)一個(gè)有趣的實(shí)驗(yàn)，來(lái)研究一下．

教師拿出上文中已經(jīng)拆開的手機(jī)充電器，現(xiàn)場(chǎng)把一個(gè)事先繞好的30匝線圈的兩端，焊接在手機(jī)充電器內(nèi)高頻變壓器的副線圈上．再拿出一個(gè)事先繞好的30匝線圈，其兩端已經(jīng)焊接了一個(gè)發(fā)光二極管LED，如圖5所示．

圖5 自制無(wú)線輸電演示裝置

師：同學(xué)們，激動(dòng)人心的時(shí)刻到了！現(xiàn)在我把充電器重新裝上外殼，把充電器插在220 V電源插座上，接下來(lái)，我慢慢把兩個(gè)線圈靠近，你們會(huì)看到什么呢？

實(shí)驗(yàn)如圖6所示.

生：LED逐漸亮起來(lái)了！太神奇了！原來(lái)無(wú)線輸電這么簡(jiǎn)單好玩啊！

圖6 演示無(wú)線輸電

教師引導(dǎo)講解原理：和高頻變壓器連接的線圈叫做發(fā)射線圈，發(fā)射線圈中通了高頻交流電，則這個(gè)線圈會(huì)在周圍空間激發(fā)出高頻交變磁場(chǎng)．連接LED的線圈叫做受電線圈，當(dāng)受電線圈靠近發(fā)射線圈，就進(jìn)入了交變磁場(chǎng)所在區(qū)域，由電磁感應(yīng)原理，受電線圈中就產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，閉合電路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，所以LED就亮起來(lái)了．這就是無(wú)線輸電的基本原理[3]，如圖所7示．

圖7 無(wú)線輸電原理示意圖

師：同學(xué)們發(fā)現(xiàn)，發(fā)射線圈和受電線圈間雖然沒有鐵芯，但交變磁場(chǎng)也能通過(guò)空間傳輸?shù)竭_(dá)受電線圈．為了提高無(wú)線輸電的效率，發(fā)射線圈內(nèi)的交變電流頻率應(yīng)該更高些還是更低些？

生：和前面分析一樣的道理，應(yīng)該進(jìn)一步提高頻率，才能讓鐵芯更小，甚至直接取消鐵芯．

師：很好！目前無(wú)線輸電的技術(shù)方案有多種，其中有幾種方案中，交變磁場(chǎng)的頻率數(shù)量級(jí)高達(dá)MHz (106Hz)甚至GHz(109Hz)．

5 課后反思

通過(guò)以上系列探究，學(xué)生不僅了解到生活中變壓器和無(wú)線輸電中的工程技術(shù)知識(shí)，還對(duì)電磁感應(yīng)、電磁波知識(shí)也有了更深的理解，學(xué)習(xí)物理的興趣更加濃厚，這正是STEM教育的魅力所在．在基礎(chǔ)教育領(lǐng)域，我們高中物理可能是(也應(yīng)該是)最能體現(xiàn)STEM教育理念的一門學(xué)科，廣大物理教師大有作為！